La prima lampadina al grafene è anche la più piccola al mondo

Nella nostra lista di cose che non si possono fare con il grafene, da oggi dobbiamo eliminare la voce "lampadine." Per la prima volta, infatti, un team internazionale di ricercatori provenienti dalla Columbia University, dalla Seoul National University e dal Korea Research Institute of Stanards and Science ha realizzato questo semplice oggetto: una lampadina al grafene.

Emettere luce nello spettro visibile è un tipo di comportamento che va contro la natura del grafene in quanto conduttore molto efficiente di energia termica (questa capacità è stata scoperta quasi per caso) ma potrebbe avere applicazioni tecnologiche che in futuro porteranno a realizzare la "lampadina più sottile al mondo", secondo James Hone, professore di ingegneria alla Columbia e coautore di un nuovo studio che descrive il suddetto comportamento.

Il principio è più o meno quello applicato al filamento di una lampadina classica: filamenti di tungsteno con un punto di fusione molto alto che assorbono corrente elettrica e calore sino a quando non cominciano ad emettere radiazioni termiche e producono luce. Questo semplice tipo di tecnologia è andato forte per più di un secolo sino ai giorni nostri, fatta eccezione per qualche recente innovazione volta a migliorare il rapporto energia-efficenza. La stessa idea può essere applicata al grafene: applicate corrente sufficiente e ad un certo punto otterrete la luce.

Il grosso problema con il grafene, comunque, è che si tratta di un conduttore di energia termica (ed elettrica) talmente buono che questa non tende a restare stabile. È necessaria una grande quantità di corrente prima che un filamento di un qualsiasi materiale diventi abbastanza caldo da illuminare, circa 2500 gradi. In primo luogo, l'unica cosa che permette al grafene di diventare così caldo è che la sua capacità di conduzione termica precipita man mano che il materiale si surriscalda. Ciò è dovuto a quello che è noto come lo scattering Umklapp, uno strano comportamento caratteristico del calore all'interno di strutture cristalline che le eccita tanto da causare improvvisi cambiamenti di direzione a mano a mano che viene applicato più calore/energia.

Quindi, mentre la conduttività del grafene inizia a calare precipitosamente, diventa possibile riscaldare il materiale oltre i limiti sopracitati sino al punto in cui si manifesta luce visibile.

Ma c'è di più: il grafene surriscaldato diventa inefficiente dato l'usuale sostrato di silicone, il quale ha una tendenza a dissipare calore. "Una frazione estremamente minima dell'energia applicata viene convertita in radiazione luminose" spiegano i ricercatori.

La risposta, secondo questo studio, è di sospendere liberamente il grafene in modo analogo a quello utilizzato con i filamenti di tungsteno usuali. Sospendere il grafene sopra a un substrato separato permette non solo un riscaldamento efficiente e ragionevole del materiale ma anche un equilibrio nella relazione tra la luce emessa dal grafene e la riflessione del sostrato inferiore. Questo significa che le lunghezze d'onda della radiazioni di luci nella fascia visibile rilasciate dal grafene sono adattabili.

Quali sono i possibili utilizzi pratici? Apparecchi per l'emessione di luce sempre più miniaturizzati. Le dimensioni dei filamenti di lampadine convenzionali hanno un limite fondamentale di miniaturizzazione oltre il quale il filamento sottoposto ad una tale energia termica, semplicemente, si brucerebbe. Per il grafene non vale lo stesso."Questo nuovo tipo di emissione di luce a "banda larga" potrebbe essere integrato all'interno di chip e aprire la strada a comunicazioni ottiche basate su chip al grafene" specifica Hone.

La difficoltà maggiore è che il grafene sospeso è difficile da produrre. Non è una tecnologia pronta all'uso. Come scrive Andrea Ferrari su Physic World, l'ingegnere che ha sviluppato per primo il metodo di sospensione, "La tecnica è piuttosto laboriosa. Quindi la domanda è: può essere prodotto su larga scala? Al momento, la risposto probabilmente è no, ma in futuro, si potrebbero trovare nuove vie per sviluppare tecnologie utilissime".